JPH04236762A - 立方晶窒化ホウ素膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、立方晶窒化ホウ素膜の
形成方法の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術および課題】立方晶窒化ホウ素（以下ｃＢ
Ｎと略す）は、ダイヤンモンドに次ぐ高い硬度と熱伝導
性を有するため、硬質被覆膜として基材表面に形成する
ことが試みられている。

【０００３】従来の硬質窒化ホウ素膜の形成方法を大別
すると、プラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法、
イオンビームアシスト蒸着法等が報告されている。前記
プラズマＣＶＤ法は、真空容器内にホウ素又は窒素を含
む原料ガスを導入し、これに高周波を印加することによ
って前記各原料ガスの反応を促進させながら加熱された
基材上に所定の膜を堆積させる方法である。かかる方法
において、前記原料ガスの一部は高周波によりイオン化
される。前記イオンプレーティング法は、真空容器内に
窒素ガスを導入しながら電子ビーム蒸着等によりホウ素
の蒸着を行ない、該蒸着時に高周波又はアーク放電等を
利用して窒素、ホウ素の一部をイオン化し、負のバイア
ス電位に保持された基材に向けて加速させ吸着させる方
法である。前記イオンビームアシスト蒸着法は、真空容
器内で電子ビーム蒸着、イオンビームスパッタ蒸着等に
よりホウ素の蒸着を行なうと同時に基材に向けて窒素又
は窒素と不活性ガスのイオンビームを照射する方法であ
る。

【０００４】一方、ｃＢＮ膜の形成には基材に供給又は
照射されるイオンが重要な役割を持つと考えられている
。これらの形成方法の中で、プラズマＣＶＤ法、イオン
プレーティング法は前述したようにそのプロセス上の制
約から基材に供給、又は照射されるイオンの種類とその
量、さらにエネルギーを個別に制御して成膜することが
できない。その結果、良質のｃＢＮ膜を形成することが
困難であり、かつ再現性の点でも劣る。また、成膜のた
めの最適条件は使用する装置の構成、構造および容積等
により影響される要素が多く、変動し易いという問題が
ある。

【０００５】前述した方法に対し、イオンビームアシス
ト蒸着法は基材へのイオン照射を他の要素プロセスから
独立した専用イオン源で発生させたイオンビームによっ
てなされるため、成膜条件の独立制御性、再現性の点で
優れている。かかる方法としては、以下に説明する種々
の方法が知られている。

【０００６】（１）ニュークレアー　　インストルメン
ト　　アンド　　メソッズ　　イン　　フィジックス　
　リサーチＢ１９／２０（１９８７）、ｐ７８７に開示
さているように、電子ビーム蒸発源を用いてホウ素蒸着
を行なうと共に、基材に対しイオン源から２〜２５ｋｅ
Ｖの窒素イオンビームを照射する方法。

【０００７】（２）特開昭６０−１６９５５９号に開示
されているように、ホウ素の蒸着と共に基材に対して少
なくとも窒素を含むイオンを５〜１００ｋｅＶで照射す
る方法。

【０００８】（３）特開昭６２−９３３６６号に開示さ
れているように、ホウ素の蒸着と窒素イオンの照射を同
時に行ない、かつ前記照射される窒素イオンエネルギー
を０．５〜５ｋｅＶの範囲に調節する方法。

【０００９】しかしながら、前記（１）、（２）の方法
では、使用するイオンのエネルギーが高すぎるため、形
成される膜中には六方晶窒化ホウ素（以下、ｈＢＮと略
す）、非晶質窒化ホウ素（以下、ａＢＮと略す）、又は
ｈＢＮとａＢＮの中間的結晶構造を持つ乱層構造ＢＮ（
以下、ｔＢＮと略す）等のｃＢＮ以外の生成物が大部分
占め、ｃＢＮを主体とする膜を形成できない。

【００１０】前記（３）の方法では、照射するイオンの
エネルギーを前記範囲の下限近くに設定した場合にはｃ
ＢＮ膜を形成することが可能となる。しかしながら、か
かる条件でもｃＢＮ膜が確実に形成されず、ｈＢＮおよ
びその他の物質を含む膜となる。これは、基材に入射す
るイオンビームの電流密度について適切な条件が見出だ
されなかったためである。一般に、イオン源の駆動条件
としてはイオンのエネルギーとイオンビーム電流の二者
のみが記述される場合が多い。後者は、イオンら引き出
された全イオンビーム電流を表わすが、イオンビームは
イオン源から引き出された後発散しながら進行する。こ
のため、基材における電流密度はまずイオン源と基材と
の距離によって変化してしまう。その上、イオンビーム
の発散量は加速電圧、イオン源内のプラズマ密度等の多
くの条件によって敏感に変化するため、イオンビーム電
流を指定することによって基材に入射するイオンの電流
密度は一義的に決定されない。従って、前記（３）の方
法ではｃＢＮ膜を再現性よく形成することが困難となる
。

【００１１】本発明は、上記従来の問題点を解決するた
めになされたもので、イオンビームアシスト法の長所で
ある良好な制御性、再現性を生かしつつ、ｃＢＮ含有量
が大幅に増加された膜を形成し得る方法を提供しようと
するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、真空容器内で
ホウ素又は窒化ホウ素からなるターゲットをイオンビー
ムスパッタして基材に前記ターゲット材料を蒸着すると
共に、イオン源より窒素イオンビーム、又は窒素と不活
性ガスイオンビームを引き出し、該イオンビームを前記
基材に照射して窒化ホウ素膜を形成する方法において、
前記基材に照射するイオンビームのエネルギーを４００
〜８００ｅＶにすると共に、スパッタ蒸着速度が１００
０Ａ／ｈｒの時の前記照射イオンビームの電流密度Ｊ（
μＡ／ｃｍ−２）を前記基材上において４０≦Ｊ≦９０
を満たす範囲に調節することを特徴とする立方晶窒化ホ
ウ素膜の形成方法である。

【００１３】前記基材の材料としては、例えばシリコン
単結晶、スライドガラス、ステンレス鋼を始めとする各
種金属を挙げることができる。

【００１４】前記イオンビームのエネルギーを前記範囲
に限定した理由は、４００ｅＶ未満にするとｃＢＮ膜を
形成できず、一方８００ｅＶを越えるとエネルギーが高
くなり過ぎｃＢＮが生成されると同時にイオンが持つ余
分な運動エネルギーによりｔＢＮへの破壊も起こり、形
成された膜中はｃＢＮとｔＢＮが混在したものとなる。

【００１５】前記照射イオンビームの電流密度を前記範
囲に限定した理由は、該電流密度を４０μＡ／ｃｍ−２
未満にするとｃＢＮ膜を形成できず、一方９０μＡ／ｃ
ｍ−２を越えると照射イオンによるスパッタリングが著
しくなり、膜形成を行うことができなくなる。

【００１６】前記真空容器の圧力は、導入する窒素ガス
又は不活性ガスにより５×１０−５〜５×１０−４ｔｏ
ｒｒの範囲に調節することが望ましい。

【００１７】前記ｃＢＮ膜の形成に際しては、基材温度
を室温空１０００℃の範囲とすることが望ましい。

【００１８】

【作用】本発明によれば、真空容器内でホウ素又は窒化
ホウ素からなるターゲットをイオンビームスパッタして
基材に前記ターゲット材料を蒸着すると共に、イオン源
より窒素イオンビーム、又は窒素と不活性ガスイオンビ
ームを引き出し、該イオンビームを前記基材に照射基材
に照射するに際し、前記イオンビームのエネルギーを４
００〜８００ｅＶにすると共に、スパッタ蒸着速度が１
０００Ａ／ｈｒの時の前記照射イオンビームの電流密度
Ｊ（μＡ／ｃｍ−２）を前記基材上において４０≦Ｊ≦
９０を満たす範囲に調節することによって、ｈＢＮ等へ
の分解を抑制してほぼｃＢＮのみからなる膜を良好な成
膜速度で前記基材上に形成できる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。

【００２０】図１は本発明の実施例で用いられる膜形成
装置を示す概略図である。図中の１は、真空容器である
。この容器１内には、ヒータ（図示せず）を内蔵したホ
ルダ２が回転自在に配置され、かつ該ホルダ２は前記容
器１の右側壁から延出されている。前記容器１内には、
前記ホルダ２と対向するようにボロン又は窒化ホウ素か
らなるターゲット３が配置されている。前記容器１内に
は、前記ターゲット３をスパッタリングするための第１
のイオン源４が配置されていると共に、前記ホルダ２に
設置される基材にイオンビームを照射するための第２の
イオン源５が配置されている。前記第１のイオン源４に
は、不活性ガスを、前記第２のイオン源５には窒素又は
窒素と不活性ガスを供給し、それぞれイオンンビームが
引き出される。なお、前記第２のイオン源５で得られる
窒素イオン／不活性ガスイオンの比は該イオン源５への
供給ガス流量比等により制御される。前記容器１内には
、支持板６が前記ホルダ２との対向場所と別の場所に移
動自在に配置されている。前記支持板６の前記ホルダ２
と反対側の面には、前記第２のイオン源から引き出され
たイオンビームの電流密度を測定するためのファラデー
カップ電流計７が取り付けられている。かかる電流計７
により前記ホルダ２に設置される基材への照射イオンビ
ームの電流密度が測定され、これに基づいて該基材への
照射イオンビームの電流密度を制御できるようになって
いる。なお、前記電流計７は前記基材に照射されるイオ
ンビーム電流密度を高精度で測定する観点から、前記基
材にできるだけ近接して配置することが望ましい。 前記容器１内には、前記ホルダ２に設置された基材に電
子を供給するための電子銃８が配置されている。かかる
電子銃８からの電子の供給により、イオンビーム照射に
よって前記基材に生じる正電荷を中和して該正電荷の蓄
積を防止している。前記電子の供給は、タングステンフ
ィラメント等の抵抗加熱による熱電子を利用してもよい
。前記容器１内には、前記ホルダ２に設置された基材に
反応ガスを供給するための導入管９が挿入されている。 例えば成膜中に窒素量が不足する場合には、前記導入管
９を通して窒素を供給してその不足分を補う。なお、図
中の１０は前記容器１の底部に設けられ、真空ポンプ等
が連結された排気管である。

【００２１】実施例１ まず、シリコン単結晶からなる基材１１をホルダ２に設
置し、真空容器１内を１×１０−５ｔｏｒｒ以下まで排
気した後、第２のイオン源５にＡｒを４ｓｃｃｍ供給し
、該イオン源５からＡｒイオンビームを引き出して前記
基材１１に照射することによりその表面を十分に清浄に
した。 つづいて、第１のイオン源４にＡｒを４ｓｃｃｍ、第２
のイオン源５にＡｒとＮ２　をそれぞれ４ｓｃｃｍ供給
した。この時の真空容器１内の真空度は２×１０−４〜
３×１０−４ｔｏｒｒであった。ひきつづき、支持板６
を前記基材１１と対向するように移動させ、前記第２の
イオン源５からＡｒとＮイオンビームを引き出し、前記
支持板６に取り付けられたファラデーカップ電流計７に
よりイオンビームの電流密度を測定し、その測定結果に
基づいて引き出されたイオンビームの電流密度を１００
μＡ／ｃｍ２　に調節した。

【００２２】次いで、支持板６を前記基材１１と対向し
ない場所に移動させ、前記基材１１をホルダ２に内蔵し
たヒータにより３５０℃に加熱し、第１のイオン源４か
らＡｒイオンビームを１ｋｅＶのエネルギー、１００ｍ
Ａの電流密度で引き出し、ボロンからなるターゲット３
をスパッタリングして２０００Ａ／ｈｒの条件で蒸着し
ながら、第２のイオン源５からＡｒとＮイオンビームを
３００〜１２００ｅＶのエネルギー、１００μＡ／ｃｍ
２　の電流密度で引き出して前記基材１１表面に照射す
ることにより６種の膜を前記基材１１上に形成した。

【００２３】前記基材上に形成された各膜について、赤
外線吸収スペクトルを測定した。その結果を図２に示す
。また、前記各膜について微小硬度を測定した。その結
果を下記表１に示す。

【００２４】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　表１　　　　Ｎｏ　　照　　　　射
　　　　イ　　　　オ　　　　ン　　　　条　　　　　
　件　　　　　　微小硬度　　　　　　　　　　エネル
ギー（ｅＶ）　　電流密度（μＡ／ｃｍ２　）　　（Ｈ
ｖ）　　　　　　１　　　　　　３００　　　　　　　
　　　　　　　　　１００　　　　　　　　　　　　　
　２６００　　　　　　２　　　　　　４００　　　　
　　　　　　　　　　　　１００　　　　　　　　　　
　　　　４８００　　　　　　３　　　　　　６００　
　　　　　　　　　　　　　　　１００　　　　　　　
　　　　　　　４６００　　　　　　４　　　　　　８
００　　　　　　　　　　　　　　　　１００　　　　
　　　　　　　　　　４２００　　　　　　５　　　　
１０００　　　　　　　　　　　　　　　　１００　　
　　　　　　　　　　　　３６００　　　　　　６　　
　　１２００　　　　　　　　　　　　　　　　１００
　　　　　　　　　　　　　　３３００図２および上記
表１から明らかな如くＮｏ２〜４のように基材に照射す
るイオンビームのエネルギーを４００〜８００ｅＶ（ビ
ーム電流は１００μＡ／ｃｍ２　で一定）とすることに
よって、１０５０〜１１００ｃｍ−１を中心とするｃＢ
Ｎの強い吸収が認められ、ｃＢＮからなると共に硬度が
極めて高い膜を基材上に形成できることがわかる。これ
に対し、照射するイオンビームのエネルギーが４００ｅ
Ｖ未満であるＮｏ１ではｔＢＮによる吸収のみが観察さ
れ、ｃＢＮの生成は認められず、しかも硬度が低い膜と
なる。また、照射するイオンビームのエネルギーが８０
０ｅＶを越えるＮｏ５、６ではＢＮ生成量が低く、しか
も硬度が低い膜となる。これは、照射イオンによる励起
によりｃＢＮが生成されるものの、同時にイオンが持つ
余分な運動エネルギーによりｔＢＮへの破壊も起こり、
形成された膜がｃＢＮとｔＢＮが混在したものとなるた
めである。

【００２５】実施例２ 第２のイオン源からＡｒとＮイオンビームをエネルギー
を一定（５００ｅＶ）とし、電流密度を４０〜２００μ
Ａ／ｃｍ２　（ボロンの蒸着速度；２０００Ａ／ｈｒ）
の範囲で変化させて引き出しシリコン単結晶からなる基
材表面に照射した以外、実施例１と同様な条件で８種の
膜を前記基材上に形成した。

【００２６】前記基材上に形成された各膜について、赤
外線吸収スペクトルを測定した。その結果を図３に示す
。また、前記各膜について微小硬度を測定した。その結
果を下記表２に示す。

【００２７】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　表２　　　　Ｎｏ　　照　　　　射
　　　　イ　　　　オ　　　　ン　　　　条　　　　　
　件　　　　　　微小硬度　　　　　　　　　　エネル
ギー（ｅＶ）　　電流密度（μＡ／ｃｍ２　）　　（Ｈ
ｖ）　　　　　　１　　　　　　５００　　　　　　　
　　　　　　　　　　　４０　　　　　　　　　　　　
　　２２００　　　　　　２　　　　　　５００　　　
　　　　　　　　　　　　　　　６０　　　　　　　　
　　　　　　３３００　　　　　　３　　　　　　５０
０　　　　　　　　　　　　　　　　　　８０　　　　
　　　　　　　　　　４６００　　　　　　４　　　　
　　５００　　　　　　　　　　　　　　　　１００　
　　　　　　　　　　　　　４８００　　　　　　５　
　　　　　５００　　　　　　　　　　　　　　　　１
２０　　　　　　　　　　　　　　５２００　　　　　
　６　　　　　　５００　　　　　　　　　　　　　　
　　１４０　　　　　　　　　　　　　　４８００　　
　　　　７　　　　　　５００　　　　　　　　　　　
　　　　　１８０　　　　　　　　　　　　　　４６０
０　　　　　　８　　　　　　５００　　　　　　　　
　　　　　　　　２００　　　　　　　　　　　　　　
１２００図３よび上記表２から明らかな如くＮｏ３〜７
のように基材に照射するイオンビームの電流密度を８０
〜１８０μＡ／ｃｍ２　、つまりボロンの蒸着速度；１
０００Ａ／ｈｒの場合で４０〜９０μＡ／ｃｍ２　（エ
ネルギー；５００ｅＶで一定）とすることによって、ｃ
ＢＮのみからなり、硬度が極めて高い膜を基材上に形成
できることがわかる。これに対し、照射するイオンビー
ムの電流密度ーが８０μＡ／ｃｍ２　未満であるＮｏ１
、２ではｔＢＮによる吸収のみが観察され、ｃＢＮの生
成は認められず、しかも硬度が低い膜となる。これは、
電流密度が小さい場合には核生成が安定的に起こり難い
ためである。 また、照射するイオンビームの電流密度が１８０μＡ／
ｃｍ２　を越えるＮｏ８では照射イオンによるスパッタ
リングが著しくなり、膜の堆積効率が著しく悪化する。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述した如く、本発明によればイオ
ンビームアシスト法の長所である良好な制御性、再現性
を生かしつつ、ｃＢＮ含有量が大幅に増加された高硬度
の膜を形成でき、ひいては各種の超硬工具の製造等に有
用に利用できる等顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で用いた幕形成装置を示す概略
図。

【図２】実施例１における照射イオンビームのエネルギ
ーを変化させて形成された膜の赤外線吸収スペクトルを
示す線図。

【図３】実施例２における照射イオンビームの電流密度
を変化させて形成された膜の赤外線吸収スペクトルを示
す線図。

【符号の説明】

１…真空容器、２…ホルダ、３…ターゲット、４、５…
イオン源、７…ファラデーカップ電流計、１１…基材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　真空容器内でホウ素又は窒化ホウ素か
   らなるターゲットをイオンビームスパッタして基材に前
   記ターゲット材料を蒸着すると共に、イオン源より窒素
   イオンビーム、又は窒素と不活性ガスイオンビームを引
   き出し、該イオンビームを前記基材に照射して窒化ホウ
   素膜を形成する方法において、前記基材に照射するイオ
   ンビームのエネルギーを４００〜８００ｅＶにすると共
   に、スパッタ蒸着速度が１０００Ａ／ｈｒの時の前記照
   射イオンビームの電流密度Ｊ（μＡ／ｃｍ−２）を前記
   基材上において４０≦Ｊ≦９０を満たす範囲に調節する
   ことを特徴とする立方晶窒化ホウ素膜の形成方法。